生产自动化几个重要理论分析

生产自动化几个重要理论分析自动化是•个左制造业中广泛使用的术:L文中，门动化可被定义为有关应 用机械、川于和计算机的系统去管埋和控制土产的技冰，这种技冰的例于包拌.加「一零件的Fl动化机床■自动连续生产线和类似的顺序生产系统』・自动装配机器’.工业机器人・"动材料处理和储存系统•用「质量控制的白动检验系统，.反馈控制和计算机程序控制一使支持制造业活动的计划、数据收集和决策的过程自动化的计算机系统自动化生产系统可被化分为斯个基本类别鲤件自动化和可编程自动化”1硬件自动化1. 1硬性自动化便性自必化是哈德尔(Haider)杜撰“白动化”这个用诃时所提］I］的硬性白动 化是指生产繇金I」生产赎序或装配工作由设备配置确定*并且在没更换役备的情 况下不能轻易改变，虽然顺序中的每一个操作通常是简单的，但是，将许多简单 的操作集成和协调成个单 系统使硬性自动化变得复杂化硕性自动化的典型 特点包括,1W:'做设计设备的光期投资高「2/ ji生产效率:3.应用「大批量产品 生产;4一适应产拈变更的相可固定性•便性「I动化对切帘求率产晶是约济合适的，先期设备的高投入土以被大量-部 件分摊，也许是数百万件，这样与其他生产方法相比部件花费低。

硬性自动化的 例『包括机』：口S银二产线、转鼠换位机械和H功装刑机容 馈性|'1动化的大部 分技术是在汽车工业中发展起来的：连续生产线(追溯到大约I或o年)就是一 个例子，12控制器单元数控的第一：个基芥力件是控制器单jLoiiiliii：以阅i卖和翻骨指令程序井」巴它转换成机床机械运动的电子设备和砒件组成控制器单兀的典型兀件包括磁带阅 读机、数据缓冲器、通向机床的信号输出通道、来白机床的反馈通道、以及协调 上述兀件整体操作的顺序控制裕°磁带阅读机是一个用于缠绕和阅读含有指令程序的穿孔磁带的机电装置磁 带上含有的数据被读入数据缓冲器该设备的11的是将输人指令储存在信从逻辑 单元一个信息组通常代表加工元件顺序中的一个完整步骤.例如：一个信息组 可以是移动机床台面到特定位置并在该位置钻孔所需的数据信号蜩出通道匀机床的何服马达和其他控佃.器相连遍过这些通道，指令由 控制器单兀送到机床c为了弄清楚指令是否己被机床正确执行，反馈数据通过反 馈通道回到控制器反馈回路的重要功能是确保台面和.工件己经相对于刀具正确 定位为此当今使用的大多敖数控机床且有位置反憾控制器，并被称为“闭环系 统”然而，近些年开环系统的使用可靠性足够高，国此反快控制器是不需要的, 是•笔不必要的额外花销。

顺序控制器协调控制Z苫单兀其他兀件的动作磁带阅 读机执行将数据从磁带读入缓冲器中,来回向机床佐送信号等等这些类型的膜 作必须是同步的，这就是同步控制器的功用数捽系统的.另个元件是控制向板，它实际上可能是捽制器单元或机床的- 部分控制面板或控制台山刻度盆和兀关纽成，机床操作者通过他们运转数控系 统控制血板也可有数据显示器为操作者提供信息虽然数控系统是•个白动化 系统，但仍需要人类操作者来开关机床，更换刀具（•些数据系统有㈣化刀具 更换装置），向机床加载和卸载以及完以其他各式各样的任务为了履行这些职 责，操作者必须能控制这个系统，是通过控制而板来完成的°1.3机床数控系统的第三个元件是机床或其他被控制的工序它是数控系统完成有用 丁作的部分°在最常见的数捽系统例子中,一个设计来完成机加T操作的系统中， 机床山工作台、主轴以及驱动它们所必要的马以利控制器组成它也包括刀具、 工件央具以及其他机加工操作中所需的辅助设备1.4自动生产线使用自动生产线可以利出专用、多功能机床来实现最大程度的H动化白动 生产税实质上是那些山工件传送装置连按起来的按所需顺序布置的单个工位的 组合.并且通过连锁控制集成为 体。

工件在工位间被n动传送.每个工位都装 配rr用于加工、测量、工件再定位、组装、清洗或其他操作的卧式、立式及倾斜 式设洛自动生产线的两大主要类别是旋转式和直列式白动生产线的 个显著优点足它们允许同肘完成大虽的噪作相对来说，用 机加工工件衣面或平面的数虽没有限制，因为装置可介入自动生产线实际上在 任意位置能使工件翻转、旋转或定向以便完成机加工操作工件重定位也使倾斜 主轴箱的数目减至最小，使挨作在最佳时间完成经常可进行从原始待件或锻件 到成品件的完整加工°一个或多个成品件在一条带有何个传输系统标志的白动生产线上生产，传输 系统使部件从-个工位运动到另•个工位这类生产线的生产效率通常为 5()%-的％,由一条生产线生产各式各样部件时为50%,由一条生产线大批虽生产 •个部件时达85%,这取决于工件和如何操作自动生产线(材料处理方法、维护 程序等)所有类型的机加工操作，如钻削、攻丝、校削、辑削和铳削，在自动生产线 上被经济地组合在一起诸如乍削和表而加工的*•.床式操作也在宜列式自动生产 线土完成，工件在选择的机加工工位上旋转车削操作在机床部分完成，多刀架 通过安装在隧道式桥形装置上的滑轨进给工件定位在中心位置，由在每个车削 工位上的卡母带动旋转直列式自动生产线上有CNC的车削工位可供使川：CNC 装置允许我们很容易地改变机器工作周期以适应工件设计的改变而且能用于调 整自动刀具。

当工件隹传逐机上移动时通过将零件叩装到工件上，经常可以获得连续生产 线上最大的生产经济效益在传送加工过程中，能够刘诸如轴村、密封垫、威尔 士衬交和保温管等零什逃行组装、机加工或测试完成部件局部装配后也可进行 白动螺吧扭转如果能使用合适的机加工装置井随后讪有良好的轴衬操作，在日动生产线上 进行深钻孔或钗削是•项理想的应用球面座和其他衣血兆彷形健削和车削可用 仿形控制单点进人工件完成,因此取消了昂贵的专用成形刀具对钗孔或镣孔的 测量以及H动刀具的调整是在H动生产线上进行的.以保持精确的公差有时任自动*产线上进行的非常规加工包括磨削、环形齿轮的感应加热以冷 缩配合压在&轮上、阀血的感应洱火、深度轮JK以施加预压载荷和抛光1*1动生产线很早就用于汽车工业来高效率地生产相同部件，手工零件加工量 极少'除了盛少劳动力需求外，这种生产线能保证低成本生产标准始终如•的、 高质虽雪什它们不再局限于粗加工，现在己经常取消了诸如抛光和锐磨这样的 后来JJ宇口前，对自动生产线的滞求越来越多,用来处理少最的小尺寸的41似的或甚 至不同的零件，用于生产经营的快速转换，内置柔性，即重新布置和互换机加工 设备的徒力，以及提供空轧T•位增加了每个白动生产线的成本，但是隹经常重新 设计产品的情况下这些特性是经济诃行的。

观在许多这样的生产线已用在非汽车 领域里来满足少虽的生产要求现在川于减少本件更换时间的特殊性能包括标准尺寸、模块结枸、安装在自 动生产线主托架上的互•顷性央JL可互换的火只零件，借助选杼开关将不同的部 件锁定在具体工位上的能力和可编程控制产品设•计也很重要，如可能在不同 的零件一上应提供常见的移动和火:紧用的表面.2机器人2. 1机器人学的定义和机器人系统1）机器人学的定义要以一种方法米定义机器人而为母一个制造看用I使用者普遍地接受那是困 难的.然而，当统计、记录、清点•下在各个国家和工业部门中使用的机器人数 虽时候，一个清楚明确的机器人定义的重要性就变得非常明显此外，单一川途 的机器，常称作刚性自动化设备的,具有某些看似机器人那样的特点在日本, 快据报道过的在使川中的机器人就超过85000介，都是没有定义界定的如果将 制造工程师协会（SME）所研究制定的定义应用来界定这85000台机器人，大约 只有12000介才够格认定.为机器人美国制造工程协会内的机器人制造若组成的 ••个团体即美国机器人研究所研究制定的定义是以下内容，机器人是•种可重夏 编程的多功能的操纵控制器,是被设计用来搬运材料、零部件、各种工具和特种 装置的，它们是讪迎可变编程的运动机构来执行上述冬项任务。

美谜词是可重复编程和多功能，成为大多数单 用途的机器设备不能满足这 网个要求Id Ui丸编构意味着机摧人必须能班行，新编程以扶行•个新的仟务或执行 不同的任务或者能显著地改变机械臂或加工刀具的机械运动多功能就是重点强 调：机器人必须能够实现许多不同的功能不同功能的实现乂取决于程序和加丁 -「•具的应用，这一定义的J个变种更浩楚地朔述了现在流行的机器人的智能性. 其内容如下:机器人是 个独瞥的、不长眼暗的、血又有 定记忆能力、不会说 话、不会看也不会听的，佬实人"应管现在流行的有用的机器人有巨大能力，但叩使段没有训练的工人去处理 在其工作单元中发生的许多事情来说也比机器人好例如，工人们当零件失落在 地面时或零件的传送机没有零件肘，他们都能意识到但没有装设 批传感器的、 头脑简单的机界人就不会有任何这种信息意识即使备有技术上最先进的、很有 效的传感器的装置，机器人也无法与经软丰富的工人相比拟因此，•个良好的 白动化工作单元的设计酣要利用与机器人控制器相连接的同边设备，以使其智能 达到接近操作工人的感知能力，2) 机器人装置现在机器人装置与工作单元装置之问的差别是1吩洁地的机器人装置仅仅 包括机器人硬件，而工作单.元装置却包括机器人装置零部件和加上生产产品所需 要的所有附加设备，当制造者着手创建的集成机器人白动化转变成日益复杂的生产装肖时，机器 人系统与机器人之间的区别将在于是否通过计算机辅助役计邳计奠机辅助制造 (CAD/CAM)来进行编程和控制。

另方面,机器人手臂上的加工动作,根据生 产工艺的需要由系统计幼地改变为了理僻当前机器人的技木水平和将米的发展 趋势，先研究基本机器人系统是符逻辑的合理步骤＜2.2建筑机器人英国建筑白动化与机器人技术协会最近的一次会议上邀请了儿个日本最大 建筑公司的代表作了一个美于建筑工业日动化与机器人技术最新发展诙步的报 告这会议是很及时的，因为在这个领域的主要发展的秘密刚刚被公开披霁 在 这个领域所何日本的建筑工作者一直在开展此项工作早些时供，廿本建筑机器人的研究在新闻中曾有广泛的报导；这包括喷漆机 器人、水泥楼面精整机器人、隧道掘进机器人等，所有这些机器人颇直接地面向 现实的任务开展应用自动化.这各种机器人装置是11本政府研究计划的成果（政 府指日本工业与贸易部），还包括日本六家主要的建筑公司和Waseda大学在内的 研究成果这些简单的机器人样机很难被推荐到非结构性的户外环境的建筑物建 设中使用，因此没有显著他研究和发展其主要研究在于这些早期的设计和建设 日功化的投资目弥之间权衡中讪:行，那就变得很清楚了日木多间建筑公问对美国几问大学以重大投资来解决这困难任务表示响 应：他们现在正在获取其投资利益且他们表明了是他们首先采用先进技术系统。

当建造在开展时，这种系统的•部分就是将丁场周用环境叫龙起来以便用层层顶 升的施工方法建没高层建筑，所有日木的主要建筑宣告了这建筑观念的变化，而 目.在这次会议中的两位演讲者（从Obayashi和Shimizu公司派来的）用影视显 示了大规模还用这种新建筑技术的现场试脸情况首先看见的新的装置可视作为一个比红条天气防护架小的装置，包括百接建 设场地在内，但事实上包括相当大数量的技术革新内容，而笫-个工作系统获得 了极为重要的成就2.3微机为基础的机器人模拟微机为基础的机界人模以软件包包括彳r许多新的特点，这些特点使得专业性 微机基础的模拟和脱机编程经得起方案选择cCAD绘图可能是从国外CAD软件包进口而来该软件包是利用DXF格式 的，或者利用国内三CAD .系统来模必］I标，包括模拟表面实休结构的儿何图 形模拟，多线挤爪成型模拟，实体和回转体模拟等超级VGA工程图学软件进行模拟标准化配制，这标推化配制是由工程图学 软件包基础丁作站来提供任何•般的机构，包括平行结构、树枝状结构以及新型机器人部叮以这行模 拟当然,利用早己确认的140多种工业机器人中任种都是可能的机器人动力学问题也可能就是模拟问题。

力、力矩、质量、惯性姐等等，机 器人上的每一个关节郡存在省机器人在空间的轨迹滞后寸机器人控制券所预期 的轨迹这滞后的范用大小，当II的是快速移动时，任何超越以及最终的急剧、 突然的停止，都可以辿过改变模拟控制规则系统的特性来估计和优化，拾起重物 叩斌以有效重荷的动作也可以看作是否超过电机扭知极限进行枚拟的2.4精整应用中的机器人复杂的程序己常常妨碍制造工作人员使用精整应用中的机备人然而，去毛 刺和精整加工仍然使用疲劳的手工劳动由机器人等实验室、3M磨料部门设计 r力控制装置该装置可以准确地跟踪描划出零件轮廓和补偿磨料磨损这样， 部位较少或公差较松的，可以利川逐点进行编程，这使得逐点编程较为容易，并 让机器人连贯地执行大多数的磨削'去毛刺和精整任务机器人可以利用位皂控 制以便奔削，利用力控制以便去毛刺和精整低摩擦气缸的缓慢控制力或反馈均 包括在内力控制机器人在自动去毛刺和精整工作中缩短了工作时间周期并提高了零 件质量，这种机器人可为重型设备制造者缩短去毛刺时间的三分之二3可编程自动化3.1可编程自动化对于可编程白动化，以由程序，即 未可以被系统识引和解释的编码指令来 控制生产操作工序的方式来设计设备。

这样就可亳无困难地改变操作顺序以允许 在同一设备上生产不同的产品结构表现可编程自动化的一些特性包括：1.迪用 可编程设备的高投人；2.比硬性自动化更低的生产率；3.应付产品结构变化的柔 性；4.适合于类似产品或零件的小和/或中等产量的生产（例如，零件族）可 编程闩动化的例了包括数控机床、工业机器人和可编程逻缉控制器可编程生产系统经常用于成批的生产零件或产品它们尤其适合于相同产品 成批的重复订单为了生产•批新产品，必须为系统编制与新产品相适应的•套*L 器指令，设备的实际装备也必须改变，必须给机带附加特殊的火具，必须装上适 当的刀具这种转换过程可能是耗时的结果，一批特定产品的一般生产周期包 括1完成准备和重编程的阶段和2该批产品的加工阶段设置一重编程阶段构成 了自动化系统的非生产时间可编程1‘1动化的经济性要求：I®看设置•重编程时间坞火，生产批量的大小 必须被编得较大以便在众多设备中分散成失的生产时间的消耗相反，如果没置 和重编程时间隘降到零测批鬲的大小E.降至个这是柔性白动化的理论基础, 即侦编程自动化的延伸柔性自动化系统是从一个产出转产到另一个产品时，时 间损火最少的能生产许多种类产品（或导件）的系统、系统重编程和改变实际装 备的时间是最少的，并且事实上导致无生产时间损失。

因此，系统能在连续流程 中生产不同的产品组合和进程，而不是批处理间有中断的批处理生产柔性自动 化的特点包括:1.用J•工程定制系统的高投资：2.连续的产品混合生产;3.改变 产品混合以适应对所生产的不同产拈的需求率变化的能力：4中等生产率；5.处 理产品设计变更具有柔性柔件H动化牛产系统通过下而一个或更多的途径应用于实践中：1 .使出零件 族概念，根据此概念系统中制造的等件在种类上有所限制：2.预先，并且/或典 线对系统再编程以便再编程不会中断生产；3.下载己仃程序到系统中来生产以前 制造过的零件，为这些零件己编写过程序；4.使用快速装卸的夹具以便最大限度 地缩知实际装备时问；5.便川为TT限零件类型所诙计的火只族：6.给系统装配大 鼠的快速装卸刀具，它们包括用来生产零件族的各式各样的加工操作工具为了 实现这些应用,在栾性自动化生产系统上生产的零件类型的变化迪常比批处理类 型的可编程H功化系统要局限的多柔性HzJj化系统的例了可追溯到2（）世纪6（） 年代晚期的进仃机加工操作的柔性制造系统3.2数字控制数字控制（位缩写为数控）可定义为 种可编料白动化的形式，其中工艺是 由数字、字母和符号来控制的。

在数控中，数字枸成了为某特定工件或任务设计 的指令程序当仟务变更时，指令释序也相应改变，改变每种新仟务程序的能力 使数控具有柔性编写新程序比改变主要生产设备要容易得多数控设备用于所有的金届零件制造领域，在当今工业的现代机末中大约占 15%因为数控机床比传统机床昂贵得多，工业数控机床的资产价值比起他们的 所占比位来要大徉多应作数控的设备己被用来完成各式各样的操作，如钻削、 铳削、车削、磨削、饭金压制、点焊、弧焊、钾接、装配、制图、检验及零件处 理等这绝小是 个完全的列举隘把数字控制看成一种加工控制的町彳亍方洼, 用于具有下列特点的任何生产情况:1） 用原材料加工类似工件（如用于机加工的金属材料2） 零件被生产成各种尺寸和形状3） 以小到中等规模批量生产工件4）完成每个工件的加工要求-系列的相似加工步骤许名机加I：零件满足这些条仰这些机如零件是金屈的，给它们规定了不同的尺寸和形状，而旦当今工业生产的大部分机加零件被制成小到中等规模的多种 尺寸C为了生产每•个零件，需要•系列的钻削操作或•系列的车削或洗削操作 数字控制对这些穹件的适应性是数字控制在过去25年中在金屈制道业中巨大增 长的原囚…个可操作的数字控制系统由下列三个基本部件叩成：1） 指•令程序。

2） 控制器单元，也称为机床控制单兀3） 机床或其他被控工艺3.3指令程序指令程序是告诉机床如何去工作的一套详尽的-•步步的指令集它被以数字 或符号的形式编码在•些可以被控制器单元翻译的输人介质上最常用的输入介 质是1英寸宽的穿孔带在这些年中，也使用了其他形式的输人介质，包括穿孑L卡 片、姓带、甚至35mm屯影胶片还有其他两种向数字控制系统边行输人的方法必须提及第利足用手工将 指令数锯输入到控制器单兀这是费时的，1除非作为辅助控制手段或只制造 个 或非常仃限数目的零件时，•般很少使用第二种偷入方法是与计算机白.接相逐 这叫做百•接数字挥制或DNCo指令程序是由被称为部件工作程序员的人褊写的“程序员的工作是提供一•会 祥细的指令，通过这些指令可完成 系列加工步骤对•个机加工操作，加工步骤 包拈机床台面和刀具的相^寸遥动3.4可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器（PLC）是一•种囚态电子装苴，它利HJ已存入的程序米控 制机器府运行或工艺的工序PLC退过输入/输出（I/O）装置发出控制信号和接 受输入信号eic依据己存入程序所规定的逻轮控制输出装置响应输入装置的激 励输入装置由限位开美、按凯 手轮、开美、脉冲、模拟信号、Ascn系列数 据和来自于绝对位置解码器的二这:制或BCD数拥组成。

揪出的是驱动电磁线圈、 电动起动机、继电捧、指示灯等终瑞设备的电压或电流电平其他输出装首:包括 模拟装置、数字BCD显示、ASCII兼容装置、伺服变速驱动器、甚至计算机当通用汽车公司和贝•他制造商们止在试软看能否白另•种方法来销毁型号 转变过程中机床的所有布线控制血板和共他生产设备时.PLC被研制成了 （大约 在196X年）这种年度例行工作是必要的，因为控制而板的重新布线比购买新的 控制面板要贵得多汽车公司与许多控制设备制造商打交道，请他们开发一个控制系统，这个系 统要有较长的生产寿命而无须主要线路重新布线，并旦能被工厂人员所理解和维 修这个新系统被称作“可编程控制溶PLC的处理器部分巾中央处理器和存储器组成中央处理器（CPU）是处理器 的交通控制器，存储器健存信息从输人装置来的电信号进入处理器后，经输入 模块整理成处理器逻辑单元可按受的电压电平处理器监测I/O的状态，然后依 据储存在PLC存储器中指令更新输出例如，处理器可被编程以便当连接限位 开关的输入为真时（限位开关闭合）,连在输出模块上的输出装置被接通,例如, 这个输出装置可以是电磁线圈处理番通过存储滞记录下这个指令并与每次检测 相比较以确定限位升美是古臭.正闭合。

如果闭合，处理器地过接通输出模块接通 电磁线圈诸如电磁线罔成电动起动机之类的偷出装置被连接到输出模块的接线 柱上，并从处理器接受它的位移信号实际上，处理器在完成•系列长血复杂的 逻辑判断PLC按顺序并根据存储的程序来执行该样的判同样地，模拟1/（）装 置允许处理器依据信号的大小血不是其接通或关闭来做判断例如，处理器可被 编程为根据锅炉实际温度（模拟输入）与所'需温度的比较来增加或减少流向钢炉 的蒸汽（模拟输出）这通常是用处理器的内置PID （比例，积分，微分）能力 来实现的因为PLC是“基于软件的”，其控制逻辑功能可通过对存储嘴再编程而改变键盘编程装置使修改的程序的输人史方便，该程序可以被设计成使现rr机器或工 序以不同顺序运行，或响应不同水平的激励或激励组合只有当涉及到附加的 更改的或重新定位的输入/输出装置时，才需要修改硬件。